三維建模技術在虛擬現(xiàn)實中的應用研究

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1、-1043450 大慶石袖學院 ■ ‘ . 論文題目 碩‘士生 指導教師 碩士研無生學位論文 蕓維建.爆g凌ffi虛擬現(xiàn)寒中.的虛用研究. ：；…1 一…丄藶々…―卜::■………… ■■” ■李從 2007年-3月12 ；曰 Research to the 3D Modeling Applied in Virtual Reality Abstract In recent years. Virtual Reality (VR) Technology has been paid extensive attention in computer field.

2、Virtual Reality Technology is an important direction of the high-tech developments in the twenty-first century. 3D modeling technology is the most important part and one of the key technologies of virtual reality. 3D modeling technology is the foundation of the VR system and the key step and technol

3、ogy of all the applications. Based on the fundamental of the computer graphics，some theory of the computer graphics that related with the paper are introduced‘ It includes basic content of the computer graphics, graphics transformation technology and sense of reality graphics technology. Based on t

4、his, it introduces virtual reality-oriented modeling technology. VituaJ Reality modeJmg technology trait, main technology target, basic content, implementation manner and key technology are introduced in virtual reality-oriented modeling technology. These lay solid theory foundation for upper applic

5、ation study of the system. Take Combination Station Scene t the basis of three-dimensional scene construction flow，from data collection and pretreatment, scene construction method, scene integration and schedule management aspects, three-dimensional virtual scene construction process and method are

6、introduced. Based on this，3D modeling optimization method is studied. Ft includes 3D modeling optimization flow, structure optimization, model optimization and hierarchy simplification algorithm based on k dop. This is one of the innovation points, modeling optimization run through whole modeling pr

7、ocess. In the last course of the analysis and study, from system analysis and design，system three-dimensional virtual scene constuction, database technology, scene representation art and three-dimensional object movement simulation aspects, application implementation based on 3D modeling technology

8、in the combination station system is discribed. Based on implementation, familiar question in system modeling and solutions are discussed, system three-dimensional model rapid display technology is summarized and modeling optimization algorithm compare analysis is discussed. Key words: Virtual Re

9、ality; 3D modeling technology; modeling flow; structure optimization; optimization method III 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學位論文是我在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的研究成 果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含其他個人巳經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果.對本文的研究敎出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并 表示謝意. 作者簽名：m 日期：、各。 學位論文使用授權聲明 本人完全了解大慶石油學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，學校有權保留學位論 文并向國家主贊部

10、門或其指定機構送交論文的電子版和紙質版.有權將學位論文用于非 贏利目的的少量復制并允許論文進入學校圖書館被查閱.有權將學位論文的內容編入有 關數(shù)據(jù)庫進行檢索.有權將學位論文的標題和摘要iC編出版.保密的學位論文在解密后 適用本規(guī)定。 學位論文作者簽名：級鐸 曰期：yffl’lf> 創(chuàng)新點摘要 本文是對三維建模技術在虛擬現(xiàn)實中的應用研究，根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點，重在研究三維建模 技術的靈活應用，通過實踐，在以下兩個方面進行了創(chuàng)新： 1、建模流程的改進。傳統(tǒng)建模流程主要是在模型優(yōu)化階段對模型進行優(yōu)化，雖然已經(jīng)取得了很好 的應用效果，但仍存在一些問題：（I)如果建模前分塊不合理，那么

11、在模型優(yōu)化和場景優(yōu)化階段就會多 花費時間；（2)如果模型優(yōu)化時有對紋理的需求，如對簡單分量紋理的需求，那么在系統(tǒng)外處理紋理就 需要時間。針對傳統(tǒng)建模流程由于優(yōu)化而存在延時的情況，提出了過程優(yōu)化的建模流程，即在建模過 程中從結構優(yōu)化、紋理優(yōu)化、模型優(yōu)化、場景優(yōu)化等方面進行整個建模過程的優(yōu)化。在過程優(yōu)化環(huán)節(jié) 中，結構優(yōu)化是前提條件，紋理優(yōu)化是(可選的)必備環(huán)節(jié)，模型優(yōu)化是主體部分，場景優(yōu)化是集成優(yōu) 化。 2、算法創(chuàng)新。提出基于1^(10口的層次簡化算法，對區(qū)域內模型進行優(yōu)化。傳統(tǒng)的簡化箅法是基于 模型的簡化算法，針對當前大規(guī)模場景、復雜模型的實時系統(tǒng),雖然在模型優(yōu)化階段取得了很好的效 果，但這卻

12、以犧牲整個系統(tǒng)的實時性為代價的，因為單個模型分別簡化所耗費的時間很多，模型間優(yōu) 化的時間間隔較多?；谶^程優(yōu)化的思想.提出了基于k_dop的層次簡化算法。它屬于基于區(qū)域的簡 化方法，區(qū)別于傳統(tǒng)基于模型的優(yōu)化算法，讓簡化算法貫穿在整個E域建模過程中。算法存在三個關 鍵點：（1)區(qū)域劃分原則和方法：（2)模型簡化算法的選擇；（3)區(qū)域合并算法的選擇。 III 人慶石油學院fil!丨：研究生學位論文 引言 虛擬現(xiàn)實是近年來十分活躍的技術研究領域。它依托于計算機科學、數(shù)學、力學、 聲學、光學、機械學、生物學乃至美學和社會學等多種學科，是一系列高新技術的匯集， 包括計算機圖形學、圖像處理與模式識

13、別、智能接口技術、人工智能、多傳感器技術以 及高度并行的實時計算技術，還包括人的行為學研究等多項關鍵技術[III2】。目前，其應 用已廣泛涉及軍事、教育培訓、工程設計、商業(yè)、醫(yī)學、影視、藝術、娛樂等眾多領域， 并帶來了巨大的經(jīng)濟效益〖3】。 1965年，有VR先鋒之稱的計算機圖形學創(chuàng)始人Ivan Sutherland.在IFIpl4〗會議上 的篇名為《終極的顯示》（The Ultimate Disp丨ay)的論文中首次提出了包括具有交互圖形 顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式幵始了對 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。經(jīng)過30多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術R趨走向成熟，

14、20 世紀90年代至今是虛擬現(xiàn)實全面發(fā)展的階段，在軟件和硬件方面都得到了廣泛的發(fā)展。 .在國外，美國、歐洲和日本在此方向起步較早，并有很多先進性的成果；我國起步 較晚’但是也引起了我國政府和學術界的高度重視，主要的科研機構都對三維建模技術 進行了研究并有所成就。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展現(xiàn)狀可參考文獻[3?8]。 ‘ 虛擬現(xiàn)實有四個最主要的特征，即沉浸感(丨mmersion)、交互性(Interaction)、構想性 (Imagination)和多感知性(Multi-Sensory)。虛擬現(xiàn)實最本質的特征是用戶在虛擬場景的沉 浸。根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實的不同形式以及沉浸的程度不同，各種類型的虛擬現(xiàn)實技

15、術 劃分四類：桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：CAVE系統(tǒng)；分布式虛擬現(xiàn)實 系統(tǒng)。其中，桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用個人計算機或低級工作站實現(xiàn)虛擬仿真。在這 種虛擬現(xiàn)實當中用戶并沒有完全投入，所以還是會受外界的干擾，是一種初級的虛擬狀 態(tài)，沉浸程度也不是很高。這種虛擬現(xiàn)實由于沒有昂貴的硬件和軟件支持，投入不是很 高，所以應用較為廣泛。目前在實際應用取得較好效果的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本都屬于此類 系統(tǒng)。本文所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)"聯(lián)合站仿真操作與演練系統(tǒng)”就屬于此類。 三維建模技術是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立的基礎，是所有應用中的一個關鍵的步驟和 技術，是整個虛擬現(xiàn)實技術的靈魂。它的研究有助于提高虛

16、擬環(huán)境的真實感、實時交互 的速度和實際交互的可操作程度，使用戶真正地“身臨其境”。因為人所感受到的大部 分信息是通過視覺獲取的，而且在真實的世界里，人感受到的是三維信息。所以三維建 模技術在虛擬現(xiàn)實技術中就處于非常核心和基礎的地位，是虛擬現(xiàn)實技術所必須的，是 虛擬現(xiàn)實技術的底層。而且虛擬現(xiàn)實世界是人可參與并與之交互的世界。模型準確度的 高低，模擬場景的真實與否’往往直接關系到應用實例的成敗。虛擬現(xiàn)實建模主要有兩 種，三維視覺建模和三維聽覺建模。本文討論的是三維視覺建模技術。 傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究是基于Mu丨tiGen Creator及其相關的幵發(fā)平臺(如 人慶石油學院袖丨?研究生?

17、-釘i論文 OpenGVS)來實現(xiàn)的，它能很好地實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的真實感、實時性和交互性。它優(yōu) 秀的層次建模架構、強大的建模功能和精簡的、直觀的交互能力是其優(yōu)點所在，存在的 缺點是模型相對缺乏立體感,虛擬場景局部缺乏真實感。本文給出的基于3dsmax/Virtools 的三維建模技術的應用研究就解決了這個問題。文中明確給出了 3dsniax中的層次建模 構架，以便進行層次建模，進而糾正以前對此問題的認識不足。 本文以聯(lián)合站仿真操作與演練系統(tǒng)的課題研究為背景，研究了虛擬現(xiàn)實建模的理論 和實現(xiàn)技術。針對傳統(tǒng)建模流程模型間存在優(yōu)化延遲進而導致系統(tǒng)實時響應效果差的問 題，給出了改進的建模流程，其主

18、要思想是將建模優(yōu)化貫穿于整個建模過程中，這是本 文的創(chuàng)新點之一，在此基礎上，探討了基于Msmax/Virtools開發(fā)平臺的桌面型虛擬現(xiàn)實 系統(tǒng)(以聯(lián)合站仿真操作與演練系統(tǒng)為例)的三維虛擬場景構建過程，介紹了實時性、真 實感要求高的大規(guī)模復雜場景的虛擬建模實現(xiàn)的建模流程、方法和關鍵技術。并對三維 建模優(yōu)化方法進行了研究，給出了三維建模優(yōu)化流程，介紹了結構優(yōu)化和模型優(yōu)化的方 法并對其進行了進一步的研究，提出了基于k_dop的層次簡化算法，這是本文的又一創(chuàng) 新點。在課題研究的基礎上，獲得聯(lián)合站虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)方法的同時，在解決實時 性和真實感矛盾的問題上，采用改進的三維建摸流程和基于k_dop的

19、層次簡化算法，實 現(xiàn)了三維虛擬場景的建模優(yōu)化，有效而顯著地提高了系統(tǒng)道染和實時響應的速度。 第1章計算機圖形學的理論與技術 1.1計算機圖形學的主要研究內容 虛擬環(huán)境中的建模是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立的基礎。為了給用戶創(chuàng)建一個能使他感 受到身臨其境、逼真的環(huán)境，必要條件之一就是創(chuàng)建一個逼真的虛擬場景。因為人所感 受到的大部分信息是通過視覺獲取的，而且在真實的世界里，人感受到的是三維信息。 所以三維建模技術在虛擬現(xiàn)實技術中就處于非常核心和基礎的地位，是虛擬現(xiàn)實技術所 必須的，是虛擬現(xiàn)實技術的底層。 計算機圖形學(Computer Graphics)是虛擬現(xiàn)實的奠基石，在計算機圖形學中被研究

20、的最多的，也是最重要的研究方向之一就是建模技術。建模技術的內容十分廣泛，不僅 涉及數(shù)學、動力學、運動學等基礎學科，同時，還涉及機器人學、機械工程學和生物機 械學等應用學科。 計算機圖形學是近三十年來發(fā)展迅速，應用廣泛的新興學科，它主要研究怎樣用數(shù) 字計算機生成、處理和顯示圖形?，F(xiàn)在計算機圖形學的主要研究內容有造型技術、真實 感圖形生成及人機交互技術等三部分丨91。要在計算機屏幕上生成三維物體的一幅圖像， 首先必須在計算機中建立該物體的模型。構造這一模型的技術稱為造型技術，包括形體 的表示、構造及運算。最常用的是幾何造型，即由一組幾何數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之間的關系來表 示所要顯示的形體，一般是規(guī)則形體。

21、 有了三維物體的模型，就需要應用真實感圖形生成技術將該模型以二維圖像的形式 顯示在屏幕上，主要包括：（1)消隱技術，即消除那些由當前的觀察點看不到的那一部分 物體，從而產(chǎn)生層次感：（2)建立或選用適當?shù)墓庹漳Ｐ停M可能準確地模擬物體在現(xiàn)實 世界中受到各種光源照射時的效果，如漫反射、鏡面反射及透射等：（3)紋理生成技術， 即在物體表面產(chǎn)生幾何紋理或顏色紋理。一般來說，生成二、三維圖形的逼真度越高， 所需的計算時間越長。因此，如何實現(xiàn)復雜模型真實感圖形的實時動態(tài)顯示就成為計算 機圖形學領域內多年來的追求目標和研究熱點。除了不斷提高計算機硬件的運算速度及 圖形軟件的效率以外，并行計算是一個重要手段

22、。 自然界的許多物體很難或者根本無法用規(guī)則形體進行表達，如山脈、雜草、云彩、 波浪、濃霧等。如何逼真地生成這些復雜的自然物體和現(xiàn)象并以圖形方式真實地繪制出 來，這也是計算機圖形學研究的主要內容之一。有時為了藝術和美學的需要，甚至可以 創(chuàng)造出自然界中根本不存在的物體、場景和現(xiàn)象。 1.2圖形變換技術 將計算機生成的圖形進行變換的技術，是計算機圖形學研究中的基礎內容之一。通 過變換可以從簡單圖形得到復雜圖形；可用二維圖形表示三維圖形；可以從某一個圖形 得到多個其它圖形，甚至對靜態(tài)圖形經(jīng)過快速變換而獲得圖形的動態(tài)顯示效果。從廣義 上講，圖形變換包括窗口視區(qū)變換、圖形幾何變換、圖形投影變換、觀察

23、變換及圖形剪 裁。圖形變換的核心問題是坐標的轉換。其中，窗口視區(qū)變換是用戶空間與設備空間坐 標之間的轉換；圖形幾何變換是由圖形的一個幾何位置或形狀到另一幾何位置或形狀的 轉換；由三維空間到二維平面坐標的轉換是圖形投影變換的內容；觀察變換則是由一個 空間到另一空間的坐標轉換問題；圖形剪裁是計箅出感興趣的特定范圍內的圖形坐標問 題。 1.2.1窗口視區(qū)變換 (1) 用戶域和窗口區(qū) 用戶域是指程序員用來定義草圖的整個自然空間(WD)。人們所要描述的圖形均在 WD中進行定義。用戶域是一個實數(shù)域，理論上說WD是連續(xù)無限的。 通常把用戶指定的任一區(qū)域(W)叫做窗口。窗口區(qū)W小于或等于用戶域WD,任

24、何 小于WD的窗口都叫WD的一個子域。窗口區(qū)通常是矩形域，可以用其左下角和右上 角坐標來表示，也可給定其左下角坐標及矩形的長、寬來表示： (2) 屏幕域和視圖區(qū) 屏幕域是設備輸出圖形的最大區(qū)域，是有限的整數(shù)域。如某圖形顯示器有1024*1024 個可編地址的光點(像素)，則屏幕域DC可定義為： DCe[0:1023]X[0:I023] 任何小于或等于屏幕域的區(qū)域都稱為視圖區(qū)。視圖區(qū)可由用戶在屏幕域中用設備坐 標來定義，用戶選擇的窗口域內的圖形要在視圖區(qū)顯示，也必須由程序轉換成設備坐標 系下的坐標值。視圖區(qū)一般定義成矩形，由左下角坐標和右上角坐標來定義；或用左下 角坐標及視圖區(qū)的X、y方向

25、上邊框長度來定義。視圖區(qū)可以嵌套，嵌套的層次由圖形 處理軟件規(guī)定。相應于圖形和多邊形窗口，用戶也可以定義圓形和多邊形視圖區(qū)，分別 作不同的應用。 (3) 窗口區(qū)和視圖區(qū)的坐標變換 為了全部、如實地在視圖區(qū)中顯示出窗口內描述的物體的圖形，必須找出窗口和視 圖區(qū)之間的坐標映射關系。設矩形窗口左下角坐標為右上角坐標為(wahv),矩 形視圖區(qū)內相應的坐標分別為(rV/，/v2)和(iv3，fv辦如圖1-1所示。 窗口中的點(Jt JO與視圖區(qū)中對應的點(iic辦)存在如下關系- 第1章計算機圖形學的理論^^-技術 ix - /v_ x-w^ W3-冰1 (1-1) iy-iv^ iv^

26、 -/Vj 由(1-1)式得: (1-2) ix = /v] + (jtr _ 、sx 縮放因子為- W3 iv. sy ■■ (1-3) 從式(1-2)可以看出從窗口到視口的變換按下列次序進行：1)以點；，>1^》為中心執(zhí)行 將窗口變換成視區(qū)的大小。2)將縮放之后的窗口移動到視區(qū)位置。 如果縮放因子砂)，物體保持相似性。否則窗口區(qū)的物體在輸出設備上顯示時將 在;c或>> 方向拉伸或壓縮。 i L ? ? iixjy) H 1- iV2 IVl W4- (x,y) W2- r

27、vj -1將窗口中(xjO映射到視口中(/X辦） 2.2圖形幾何變換 圖形變換一般是指對圖形的幾何信息經(jīng)過幾何變換后產(chǎn)生新的圖形。圖形變換既可 以看作是坐標系不動而圖形變動，變動后的圖形在坐標系中的坐標值發(fā)生變化；也可以 看作圖形不動而坐標系變動，變動后，該圖形在新的坐標系下具有新的坐標值。圖形變 換包括二維圖形和三維圖形的平移、比例縮放、旋轉、對稱、錯切等變換。由于圖形中 最基本的單元是點，因此，對圖形的幾何變換也可歸結為對點的變換。在計算機圖形學 中，廣泛采用齊次坐標技術研究圖形變換，即在n+1維空間中，討論n維向量的變換， 再經(jīng)規(guī)范化過程在n維空間中觀察其變換結果。 無

28、論在二維平面內或三維空間中，均可對已定義的幾何圖形連續(xù)進行多次幾何變 換，以得到新的所需要的圖形。這時只需將相應的多個變換矩陣連乘后，形成組合變換 矩陣，再作用于幾何圖形即可。 ：維圖形的幾何變換矩陣r^D可以用下式來表示: “II “13 碎 4 “22 23 24 32 “33 034 (1-4) .^41 ^43 43 44 13 是對圖形進行比例、 從變換功能上可把分成四個子矩陣, 是對圖形做投影變換; ^31 過32 旋轉、錯切等變換；^Jm ^^：|是對圖形進行平移變換 kJ產(chǎn)生整體比例變換 y 經(jīng)過變換后的坐標

29、為 假設三維圖形變換前的一點坐標是 則二者存在下面關系： y 表1-1給出了三維圖形幾種主要變換的變換矩陣形式。 1.2.3圖形投影變換 一種由高維空間到低維空間的幾何變換。在計算機圖形學中，通常是指三維空間到 二維平面的幾何投影變換，即把在三維空間中定義的圖形投影到二維平面上。 在三維空間中，選擇一個點作為投影中心，不經(jīng)過這個點定義一個平面作為投影面， 從投影中心向投影面引出的射線形成投影線。于是，那些穿過三維幾何圖形的投影線與 投影面相交，在投影面上形成這個圖形的像。這個像叫做三維圖形在二維投影面上的投 影。將三維空間中的圖形投射到二維平面上的這一過程稱為投影變換。

30、 根據(jù)投影中心離投影面的遠近，可以將投影分成透視投影和平行投影兩大類。透視 投影的投影中心到投影面的距離是有限的，而平行投影的投影中心則在無窮遠處。因此， 平行投影的投影線相互平行，投影線的方向即為投影方向。 通 n 人慶石油學院fil!丨：研究生學位論文 透視投影的性質有：（1)投影的大小與圖形到投影中心的距離成反比。（2)平行于投影面的平行線的投影仍是平行線；不平行于投影面的平行線的投影匯聚到一個點，這個點 稱為滅點。 與平行投影相比，透視投影的深度感更強，看上去更加真實。但透視投影不能真實 地反映物體的精確尺寸和形狀《 平行投影的特性有：（1)能精確反映圖形的實際尺寸

31、；（2)平行線的投影仍是平行線。 變換類荊 表1-1 二維圖形兒何變換矩陣 變換矩陣 平移變換 ty. 分別是在X、和Z方向上的平移量 S， 0 0 0 0 比例變換 是比例變換的參考點，s,、Sy、s, 分別ffljT、和;r方向上的縮放量 10 0 0 0 COS 沒 sin 沒 0 一 sin 沒 cos (9 0 沒表示心手坐標系下繞X軸旋轉的角度 0 0 0 -sin沒 0 0 0 旋轉變換 sin沒 COS (9 sin 沒 0 O" -sin0 cos 沒 0 沒表示右手坐標系下繞：K軸旋轉的角

32、度 權表示右手坐標系下繞Z軸旋轉的角度 真實感圖形技術 真實感圖形學是計算機圖形學中的一個重要組成部分，它的基本要求就是在計算機 中生成三維場景的真實感圖形(或圖象)。真實感圖形技術就是使三維空間的物體生成具 有色彩、紋理、陰影、層次等真實感圖形的技術，它還可以稱作真實感圖形綜合。其目 的是對于空間中的各種物體和自然景物，利用計算機圖形生成技術生成恰如拍照相片一 樣的真實感效果。 為了產(chǎn)生圖形的真實感，一般需要解決以下幾方面的圖形綜合技術問題： (1) 在圖形中消除在特定觀察點看不見的物體或部分物體，從而產(chǎn)生空間物體的層次 感； (2) 在物體表面生成各種各樣的紋理，

33、以增強物體的質感； (3) 盡可能精確地模擬光源照射的物理效果，使空間物體具有像拍照相片一樣的光照 效果和陰暗層次； (4) 模擬透明物體的效果； (5) 在顯示設備有限的離散精度范圍內盡量保持圖形具有自然的光影過渡和連續(xù)性。 1.3.1消隱技術 消隱技術[1。1是對三維空間的非透明物體將觀察者看不見的線或面消除的一種技術。 為了使計算機生成的圖形具有在三維空間的真實感，將其看不見的物體部分即隱藏部分 消除，這是真實感圖形的最基本需求。如果不將隱藏的線或面消除，有時會產(chǎn)生對圖形 的錯誤理解。 消隱算法的基本思想是將物體上所有的點、線、面，按照距離視點的遠近進行排序。 一般來說，離視點

34、較遠的物體，就有可能被離視點較近的物體完全或部分遮蓋。大多數(shù) 消隱算法都涉及排序和相關性的概念。排序是為了確定消隱對象之間的遮擋關系，通常 在X、Y、Z三個方向分別進行。消隱算法的效率在很大程度上取決于排序的效率，通 ?？梢圆捎孟嚓P性來提高排序的效率。所謂相關性是指物體對象或其在視圖區(qū)變換后的 圖像局部保持不變的性質，即相鄰的點、線和區(qū)域有相彳以的性質。常用的消隱算法有- (1)Z緩沖器算法 它是一種利用記錄圖形深度的緩沖器來實現(xiàn)面消隱的簡單使用算法。該算法最早于 1975年RCatoull提出。它是在圖像空間實施面消隱的算法。按慣例，通常將圖像平面 即投影屏幕定義為；面，因而視點正投影方

35、向即為Z軸負方向。用于記錄投影方向上 物體投影深度值的緩沖存儲器稱為Z緩沖器，該算法由此得名。 Z緩沖器是一組存儲單元，其單元數(shù)目和屏幕上像素數(shù)目相同，即通常與幀緩沖器 的單元數(shù)目相同。它用來存儲圖像空間中與每一可見像素相應的物體深度或Z坐標。Z 緩沖器是一個獨立的緩沖器，它與頓緩沖器配合使用完成面消隱功能。Z緩沖器中每個 單元的初值取為對應畫面背景顏色或灰度值。圖形消隱是在圖形繪制的過程中實現(xiàn)的。 在圖形繪制時，當把顯示對象的每一點(像素)的屬性(顏色或灰度>值填入頓緩沖器相應 單元前,要把該點的Z坐標值與Z緩沖器中相應單元內的值作比較。如果前者大于后者， 則改變帖緩沖器中相應承元的值，同

36、時Z緩沖器中相應單元的值更新為該點的Z坐標值： 反之，如果該點的Z坐標值小于Z緩沖器中相應單元的值，則說明該點要比已顯示的點 更遠離觀察者，因而是波遮擋的點，為此無須改變頓緩沖器和Z緩沖器中相應單元的值。 當環(huán)境中每個物體都處理完之后，便可得到消除了隱藏面的完整圖形。此時圖像中每個 像素點均呈現(xiàn)離視點最近的物體上相應點的顏色或灰度值。 該算法的優(yōu)點是：（1)簡單、可靠，對顯示對象的處理次序無任何限制，因而無須在 繪制之前對顯示對象進行排序處理，在分辨率一定的情況下，算法計算量只與多邊形個 數(shù)成m比：（2)對顯示對象的類型限制甚少，只要計算其在屏幕上的投影以及相應的投影 深度即可；（3)便于硬

37、件實現(xiàn)和并行處理。在此基礎上，Z緩沖器掃描線算法利用了多邊 形邊和像素點的相關性，使得算法效率進一步提高。 該算法的缺點是需要較大的Z緩沖器，且需對每個顯示對象的每個像素投影點求取 深度Z值。但因該技術算法簡翠、適應性強，因而成為一種頗為實用的面消隱技術。特 別是在某些高性能圖形工作站上，Z緩沖器被設計為可選的專用存儲器，其算法由硬件 實現(xiàn)，從而成為一種用戶可選的繪制方式。圖1-2反映了屏幕、頓緩沖器和Z緩沖器之 間的對應關系。 , ‘ Z緩沖器 . 毎個單元存放對應像素 每個單元存放對應像素 的顏色值 .的深度值(Z坐標） m 1-2屏幕、帖緩沖器和Z緩沖器之間的關系 (2)表優(yōu)先

38、級算法 按照物體離視點的遠近進行優(yōu)先級排序從而對圖形實施有序繪制的一種消隱算法。 該算法在處理簡單元素(如多邊形)時常被稱為畫家算法。 表優(yōu)先級算法首先根據(jù)物體深度進行排序，按照環(huán)境中各元素離視點的遠近確定一 個深度優(yōu)先級表。然后按照表中元素的先后次序，從離視點最遠的圖形元素開始，依次 將每個元素繪制到屏幕畫面中。這樣，表中離視點較近的元素在繪制時會通過在1|(貞緩沖 器中寫入新的內容而覆蓋離視點較遠的元素，從而達到消隱的目的。畫家算法的優(yōu)點是 簡單、易于實現(xiàn)，并且可以作為實現(xiàn)更為復雜算法的基礎。它的缺點是只能處理互不相 交的面，而且深度優(yōu)先級表中的順序可能出錯，如兩個面相交或三個面相互重

39、疊的情況， 用任何方法都不能排出正確的順序。這時，只能把有關的面進行分割后再排序，這樣增 加了算法的復雜度。因此，該算法的使用具有一定的局限性。 (3)掃描線算法 使用逐行的像素掃描線實現(xiàn)圖形繪制和面消隱的一種算法。該算法是由單個多邊形 進行掃描變換的方法推廣而來。物體空間的每一多邊形在屏幕上的投影一般亦為一個多 邊形。在單個多邊形的掃描變化中，通過逐行求取屏幕上每條像素掃描線被其多邊形所 截取的線段，就可繪制整個多邊表形。當掃描對象是整個環(huán)境的眾多多邊形時，其掃描 變換過程與單個多邊形類似。但這時由于存在多邊形之間的相互遮擋關系，因此必須在 毎條掃描線上確定和計算可見的掃描線段，即進行消

40、隱處理。該處理過程分為兩步：計 算掃描線段和確定線段的可見性。第一步，計算出掃描線與物體在投影面上形成的多邊 形的所有相交線段。第二步，消去不可見的線段或部分線段。 掃描線算法的基本思想是：按照掃描線的順序處理一If貞畫面，在由視點和掃描線所 決定的掃描平面上解決消隱問題。具體步驟是，先把物體各面投影到屏幕上，再計算掃 描線與物體各投影面的相交區(qū)間。掃描線算法的典型實現(xiàn)有兩種，即掃描線Z緩沖器算 法和掃描線間隔連貫性算法?，F(xiàn)在使用的較多的是掃描線Z緩沖器算法，即在每條掃描 線上實現(xiàn)Z緩沖器的算法。當這兩種算法結合起來時，對于掃描線算法來說，第二步求 取隱藏線段的過程不再需要，而由Z緩沖器算法

41、取而代之。 1. 3.2明暗效應 明暗效應指的是對光照射到物體表面所產(chǎn)生的反射/透射現(xiàn)象的模擬。當光照射到物 體表面時，可能被吸收、反射或折射。被物體吸收的那部分光轉化為熱，而那些被反射、 透射的光傳到我們的視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。為了模擬這一物理現(xiàn)象，我們使用 一些數(shù)學公式來近似計算物體表面按什么樣的規(guī)律，什么樣的比例來反射/折射光。這種 公式稱為明暗效應的模型。在某個算法中使用這種計算物體表面的明暗度的過程稱為明 暗效應的處理。三維形體的圖形在經(jīng)過消隱后，再進行明暗效應的處理，可以進一步提 高圖形的真實感。 (1)明暗模型 光的顏色由其波長決定；光的亮度由光強決定。各種顏色光具

42、有不同的波長，白色 光是含有所有可見波長的光。當一束白色光照射到物體表面上時，若所有波長的光均被 等量吸收，則物體呈白色、灰色或黑色。這里灰色指的是不同亮度的白色，如陰天天空 的顏色。 若物體有選擇地吸收某些波長的光，則物體呈現(xiàn)出顏色。物體的顏色取決于未被吸 收的那部分光的波長。從物體表面反射/折射出來的光的強度取決于許多因素，其中包括 光源的位置與光強、物體表面的位置和朝向、物體表面的性質(如反射率、折射率、光 滑度)以及視點的位置。 假設物體不透明，那么物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由反射光決定。通常，人們把反射光 考慮成三個分量的組合，這三個分量分別是- 1) 環(huán)境反射光：環(huán)境反射光在任何方

43、向上的分布都相同。環(huán)境反射光用于模擬從環(huán) 境中周_物體散射到物體表面再反射出來的光》環(huán)境反射光可用下式表示- 丨=K?”? (1-6) 其中，1<：?是環(huán)境反射常數(shù)，與物體表面性質有關；是入射的環(huán)境光光強，與環(huán)境 的明暗有關。 2) 漫反射光：漫反射光的空間分布也是均勾的，但是反射光強與入射光的入射角的 余弦成正比。通?？梢杂孟率絹碛嬎懵瓷涔獾墓鈴姡? I=Kd*Ii*COSe (1-7) 上式中，是漫反射常數(shù)，與物體的表面性質有關。是光源的光強，e是入射角， 即入射光與表面法線向量的夾角，如圖1-3。 ///////////// 圖1-3入射方向、反射方向以及視線方向之

44、間關系示意圖 3)鏡面反射光：鏡面反射光為朝一定方向的反射光，它遵守光的反射定律。對于純 鏡面，入射至表面面元上的光嚴格地遵從光的反射定律單向反射出去；對于一般光滑表 面，由于表面實際上是許多朝向不同的微小平面組成，其鏡面反射光分布于表面鏡面反 射方向的周圍。實用時，常采用余弦函數(shù)的幕次來模擬一般光滑表面的鏡面反射光的空 間分布(如下式)： I=K^*I_*COS"(i (1-8) (2)明暗處理算法 在計算機圖形學中，光滑的曲面表面常用多邊形予以逼近表示。這是因為處理平面 比處理曲面容易得多。但是，如果釆用較粗的離散度精度，那么兩個相鄰多邊形的邊界 看起來像凸出的折痕，而生成的圖形將

45、失去原有曲面的光滑性，而呈現(xiàn)多邊形狀。這種 現(xiàn)象是由于平面上所有點的法向相同，不同平面塊之間存在不連續(xù)的法向量跳躍，從而 引起不連續(xù)的光強跳躍：而另一方面，人類視覺系統(tǒng)會夸大具有不同常量光強的兩個鄰 接區(qū)域之間的光強不連續(xù)性而造成。 當我們處理的形體是多邊形集合或多面體時，會計算出每個面的法向量。假定光源I 在無窮遠處，那么毎個多邊形上的點都具有相同的明暗度。這種明暗效應的處理方法一I 般稱為常量明暗處理。用常量明暗處理方法生成的圖形是具有實際意義的多邊形或多面 體時還可以接受，但如果作為曲面體的近似表示時常量明暗處理很難生成令人滿意的光 計算機圖形學的理論與技術 滑圖形。它要么需要很多

46、的存儲量和處理時間，要么會產(chǎn)生馬赫帶效應。下面介紹 Gouraud明暗處理。 Gouraud明暗處理技術是最簡單的方法，主要針對簡單光照模型中的漫反射項。 Gouraud明暗處理的思想是對離散的光亮度釆樣作雙線性插值以獲得一個連續(xù)的光亮度 函數(shù)。其基本算法是：如圖1"4所示，先計算出多邊形頂點處(A、B、C和D)的光亮度 值，把它們作為曲面光亮度的采樣點，然后再對多邊形頂點的光亮度值插值計算出多邊 形內任一點的光亮度。若采用掃描線繪制算法，則可沿當前掃描線進行雙線性插值，這 是一種簡便易行的插值方法。即先用多邊形頂點的光亮度線性插值出當前掃描線與多邊 形邊交點處(L和R)的光亮度，然后再用交

47、點的光亮度線性插值出掃描線位于多邊形內 區(qū)段上每一像素處(如圖1-4中的P點)的光亮度值。 圖丨4Gouraud算法中多邊形明暗度的線性插值 Gouraud明暗處理的優(yōu)點是算法簡單、計算量小。但是這種方法在某些環(huán)境下也存 在缺陷。當它用于動態(tài)顯示物體時，物體表面的明暗度將以不規(guī)則的方式變化。這是由 于本方法的插值是基于固定的屏幕表面，而不是運動的形體表面。Gouraud明暗處理的 另一個缺陷是，Gouraud明暗處理要求光源方向與視線方向比較接近，一般二者方向夾 角不要超過45。這是因為，當光源方向與視線方向差別較大，特別是入射角接近90 時，而視線在反射方向時，利用Gouiaud

48、算法所計算的反射光強趨于最小。但是實際上， 這時的反射光最強，即通常所說的高光? 3.3 物體的表面細節(jié)稱為紋理。紋理是表達物體質感的一個重要特點，紋理的生成使圖 形更具有真實感。根據(jù)紋理定義域的不同，紋理可分為二維紋理和三維紋理，根據(jù)紋理 的表現(xiàn)形式，紋理又可分為顏色紋理、幾何紋理和過程紋理三大類。顏色紋理指的是呈 現(xiàn)在物體表面上的各種花紋、圖案和文字等，近幾年來顏色紋理己經(jīng)得到了廣泛的應用； 幾何紋理是指基于景物表面微觀幾何形狀的表面紋理，如樹干、巖石、山脈等表面呈現(xiàn) 的凹凸不平的紋理細節(jié)。過程紋理可以表現(xiàn)各種規(guī)則或不規(guī)則的動態(tài)變化的自然景象， 如水波、云、火、煙霧等⑴1。 12

49、面向虛擬現(xiàn)實的三 紋理生成的技術或過程稱為紋理映射。它是計算機圖形學中的一種重要方法，最早 由Catmu丨丨提出，經(jīng)Blinn和Newe丨丨改進后得到廣泛應用。目前，在大規(guī)模地形地貌的 建模上，通常使用紋理映射技術來表達真實感效果。 第2章面向虛擬現(xiàn)實的三維建模技術 虛擬現(xiàn)實是一種逼真地模擬人在自然環(huán)境中視覺、聽覺、嘆覺、運動等行為的一種 全新的人機交互技術，其最終目標是使用戶置身于一個由計算機生成的虛擬環(huán)境中。虛 擬環(huán)境的建模是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立的基礎，.也是虛擬現(xiàn)實技術中的關鍵技術之一。下面 就開始介紹虛擬現(xiàn)實建模技術的相關內容。 2. 1 VR建模技術特點‘ 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)強調

50、沉浸感、逼真性，即要求有高的真實感；強調自然的交互方式， 又要滿足實時性基礎上的交互性要求?？偠灾褪牵涸诰哂姓鎸嵏械沫h(huán)境中，產(chǎn)生沉 浸感，并且可以滿足實時性和交互性的要求。 實時性和真實感是評價許多計算機圖形學算法的一個基本標準。在VR建模的過程 中將真實感、實時性和交互性作為指導原則，是面向虛擬現(xiàn)實建模的顯著的特點。 這就使VR系統(tǒng)建模與傳統(tǒng)CAD和動畫建模有著本質上的不同： 1、VR建模中要說明的內容要比傳統(tǒng)系統(tǒng)建模多，除說明造型外還要說明許多系統(tǒng) 連接，如自由度(Degree Of Freedom，DOF)、層次細節(jié)(Level Of Detail，LOD)等： 2、由于要實時

51、運行三維模型，其建模方法與以造型為主的建模有很大的不同，大 多用其他技術(如紋理)而不是增加幾何造型復雜度來提高逼真度。虛擬現(xiàn)實建模與三維 動畫主要區(qū)別如表2-1所示： 表2-1虛擬現(xiàn)實與三維動畫比較 虛擬現(xiàn)實 三維動畫 特點 具有真實感、實時性和交互性，考慮交 互性和實現(xiàn)意圖； 模型細節(jié)比較少，可以提高實時性， 犧牲實時性，達到視覺上的真實和完 美，非交互性的美學和視覺效果： 細節(jié)較多，繪制效果預先決定。 用戶 親身體驗虛擬三維空間，身臨其境，雙 向互動，無時間限制，可真實詳盡地展 示. 預先假定觀察路徑，無法改變，單向演 示。場景變化，畫面需事先制作，生成 受動畫制

52、作時間展制，無法詳盡展示。 應用 主要用于仿真，需要對用戶輸入做出反 應，如飛行訓練、影視游戲和視景仿真 等。 主要用于電影、印刷圖畫及預先設計好 的演示等。 虛擬現(xiàn)實建模，考慮交互性和實現(xiàn)意圖，與動畫模型相比，通常細節(jié)比較少，以提 高實時性的效果。這里并不是意味著虛擬現(xiàn)實建模不需要美學和視覺效果，相反，虛擬 現(xiàn)實建模所有的追求，只有一個目標：真實感，在滿足實時性的基礎上，極力提高整個 模型的真實感。在現(xiàn)有的基礎上，人們只能在犧牲已經(jīng)完美準確的視覺藝術，通過平衡 人慶■tj油學院碩丨：研究生學位論文 實時性，來達到更高層次的真實感。 2.2 VR建模的主要技術指標 模型建立

53、的好壞與否將直接影響整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的質量。有的研究人員甚至說， 建立一個完美的模型，比一千個事實還要珍貴。因此，要建立一個好的虛擬環(huán)境應對建 模的主要技術指標有較為細致的了解。 評價虛擬環(huán)境建模的技術指標主要有- (1) 精確度。它是衡量模型表示現(xiàn)實物體精確程度的指標，也是表現(xiàn)場景真實性的重 要因素之一。 (2) 顯示速度。許多應用對顯示時間有較大的限制。在交互式應用中，我們希望響應 的時間越短越好，響應時間太長將會大大影響系統(tǒng)的可用性。 (3) 操縱效率。在實際運用過程中，模型的顯示、運動模型的行為、在有多個運動物 體的虛擬環(huán)境中的沖突檢測等都是頻度很高的操作必須高效實現(xiàn)。 (4)

54、 易用性。創(chuàng)建有效的模型是一個十分復雜的工作，建模者必須盡可能精確地表現(xiàn) 物體的幾何和行為模型，建模技術應盡可能容易地構造和幵發(fā)一個好的模型。 (5) 廣泛性。建模技術的廣泛性是指它所能表示的物體的范圍。好的建模技術可以提 供更廣泛的物體的幾何建模、物理建模和行為建模。 (6) 實時顯示。在虛擬環(huán)境中，模型的顯示必須在某個極限傾率以上，這往往要求快 速顯示算法和模型簡化算法。 2.3 VR建?；緝热? 虛擬現(xiàn)實中的三維建模分為數(shù)據(jù)建模和過程建模。數(shù)據(jù)建模包括連續(xù)建模和離散建 模。過程建模包括分形建模、圖像建模、圖形建模、幾何建模、混合建模等。虛擬現(xiàn)實 中的建模主要經(jīng)歷了從幾何建模、物理

55、建模到行為建模的發(fā)展進程112〗》 虛擬環(huán)境(Virtual Etivironment,VE)的建模是整個VR系統(tǒng)建立的基礎，主要包括三 維視覺建模和三維聽覺建模。本文主要研究的是三維視覺建模，主要包括：幾何建模 (Geometric Modeling)、運動建模(Kinematic Modeling),物理建模(Physical Modeling),對 象行為建模(Object Behavior Modeling)以及模型分害iJ(Mo(Iel Segmentation)等。 一、幾何建模 15 第2章面向虛擬現(xiàn)實的二維建模技術 幾何建模是虛擬現(xiàn)實建模技術的基礎。虛擬環(huán)境中的幾何建模

56、是物體幾何信息的表 示’涉及表示幾何信息的數(shù)據(jù)結構、相關的構造與操縱該數(shù)據(jù)結構的算法。虛擬環(huán)境中 的每個物體包含形狀和外觀兩個方面。物體的形狀由構造物體的各個多邊形、三角形和 頂點等來確定，物體的外觀則由表面紋理、顏色、光照系數(shù)等來確定。因此，用于存儲 虛擬環(huán)境中幾何模型的模型文件應該能夠提供上述信息。同時，還要滿足虛擬建模技術 的三個常用指標(交互顯示能力、交互式操縱能力和易于構造的能力)對虛擬對象模型的 要求。 幾何建模可以進一步劃分為層次建模法和屬主建模法》 (1) 層次建模法：利用樹形結構來表示物體的各個組成部分，對描述運動繼承關系比 較有利。例如：手臂可以描述成由肩關節(jié)、大臂、肘

57、關節(jié)、小臂，腕關節(jié)、手掌、手指 等構成的層次結構，而各手指又可以進一步細分為大搏指、食指、中指、無名指和小拇 指。在層次模型中，較高層次構件的運動勢必改變較低層次構件的空間位置，例如：腕 關節(jié)轉動勢必改變手掌、各手指的位置，肘關節(jié)轉動勢必改變小葡、腕關節(jié)、手掌等的 位置，而肩關節(jié)的轉動勢必影響到大臂、腕關節(jié)和小臂等的位置。 (2) 屬主建模法：讓同一種對象擁有同一個屬主，屬主包含了該類對象的詳細結構。 當要建立某個屬主的一個實例時，只要復制指向屬主的指針即可。每一個對象實例是一 個獨立的節(jié)點，擁有自己獨立的方位變換矩陣。以木椅建模為例，木椅的四條発腿有相 同的結構，我們可以建立一個凳腿屬主，

58、每次需要晃腿實例時，只要創(chuàng)建一個指向晃腿 屬主的指針即可。通過獨立的方位變換矩陣，便可以得到各個凳腿的方位。這樣做的好 處是簡單髙效、易于修改、一致性好。 對于幾何模型的幾點說明- (1) 抽象地表示對象中基元的輪廓和形狀有利于存儲，但使用時需要重新計算(例如 3dsmax中的對象實例化)；具體地表示可以節(jié)省生成時的計算時間，但存儲和訪問存儲 所需要的時間和控件開銷比較大。具體采用哪一種方法表示取決于對存儲和計算幵銷的 綜合考慮。 (2) 幾何模型一般可以表示成分層結構，因此我們有可能使用自頂向下的方法將一個 幾何對象分解，也可以使用自底向上的構造方法重構一個幾何對象。 (3) 對象形

59、狀(Object Shape)的構造方法有兩種：直接測量和構造的方法。對二維物體 的表面進行測試得到離散三維數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)用多邊形描述從而構造得到對象的 多邊形技術。可以使用圖形庫從頭創(chuàng)建，也可以使用建模工具(AutoCAD、3DSMAX或 MultiGen等)來實現(xiàn)。另一種構造方法是直接從某個商品庫中選購所需的幾何圖形，這 樣可以避免直接用多邊形或三角形拼構某個對象的外形的繁瑣和乏味的過程。 (4) 對象外表的真實感主要取決于它的表面反射和紋理。以前通過增加繪制對象多邊 形的數(shù)目來增加真實感，但是在需要實時仿真時會延緩圖像生成的速度?，F(xiàn)在的圖形硬 件平臺具有實時紋理處理能力，在維持圖

60、形速度的同時，可用少量的多邊形和紋理增強 真實感》紋理可以用兩種方法生成，一種是用圖像繪制軟件交互地創(chuàng)建編輯和儲存紋理 位圖，例如常用的Photoshop軟件；另一個是用照片拍下所需的紋理，然后掃描得到， 或者通過數(shù)碼相機直接進行拍照得到。目前，已有商品化的紋理數(shù)據(jù)庫出售。很多高級 的圖形硬件平臺，通過提供復雜的實時紋理硬件來提高真實感[13】。 二、物理建模 人慶心油學院碩丨：研究生學位論文 物理建模指的是虛擬對象的質量、重量、慣性、表面紋理(光滑或粗糖)、硬度、變 形模式(彈性或可塑性)等特征的建模，這些特征與幾何建模和行為規(guī)則結合起來，形成 更真實的虛擬物理模型。物理建模是虛擬

61、現(xiàn)實系統(tǒng)中比較高層次的建模，它需要物理學 與計算機圖形學配合，涉及到力的反饋問題，主要是重量建模、表面變形和軟硬度等物 理屬性的表現(xiàn)。 分形技術和粒子系統(tǒng)就是典型的物理建模方法。分形技術在虛擬現(xiàn)實中一般僅用于 靜態(tài)遠景的建模：在虛擬現(xiàn)實中粒子系統(tǒng)用于動態(tài)的、運動的物體建模.如常用于描述 火焰、水流、雨雪、旋風、噴泉等現(xiàn)象。 (1) 分形技術 分形技術可以描述具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。自相似的典型例子是樹。若不考慮樹 葉的區(qū)別，當我們靠近樹梢時，樹的細稍看起來也像一棵大樹。由相關的一組細梢構成 的一根樹技，從一定距離觀察時也像一棵大樹。當然，由樹枝構成的樹從適當?shù)木嚯x看 時自然是棵樹。雖然，

62、這種分析并不十分精確，但比較接近，這種結構上的自相似稱為 統(tǒng)計意義上的自相似。自相似結構可用于復雜的不規(guī)則外形物體的建模。該技術首先被 用于河流和山體的地理特征建模。舉一個簡單的例子，我們可利用三角形來生成一個隨 機高程(Elevation Data)的地形模型：取三角形三邊的中點并按順序連接起來，將三角形 分割成四個三角形，同時，我們給每個中點隨機地賦予一個高程值，然后，遞歸上述過 程，我們就可以產(chǎn)生相當真實的山體。 分形技術的優(yōu)點是用簡單的操作就可以完成復雜的小規(guī)則物體建模，缺點是計算量 大’不利于實時性。因此，在虛擬現(xiàn)實中一般僅用于靜態(tài)遠景的建模。 (2) 粒子系統(tǒng) 粒子系統(tǒng)是一種

63、典型的物理建模系統(tǒng)，粒子系統(tǒng)是用簡單的體素完成復雜的運動的 建模。粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構成，每個粒子具有位置、速度、顏色和生 命周期等屬性，這些屬性可以根據(jù)動力學計算和隨機過程得到， 粒子系統(tǒng)對于繪制不規(guī)則的對象，如火焰、煙霧、云彩、爆炸等具有獨特的優(yōu)點： (1)粒子系統(tǒng)比較靈活，如其組成的粒子既可以是最簡單的點，也可以具有一定的結構， 可根據(jù)描述的對象隨意調整，而且相對來說易于實現(xiàn)》另外，根據(jù)場景的特點，對粒子 的數(shù)量、時間以及硬件平臺的需求不茍刻。（2)粒子系統(tǒng)的模型是過程化的，在其中可加 入隨機過程，因此，獲得精細的模型不需要大量的設計時間。其主要缺點是：（!)每一個 時間

64、步均需要計算粒子的動態(tài)屬性，增加計算幵銷，因此，粒子系統(tǒng)在實現(xiàn)上最大的缺 憾是當粒子數(shù)達到千數(shù)量級時，難以達到實時效果。（2)粒子的幾何特征過于簡單，可以 構造的物體范圍有限。 在最近幾年對粒子系統(tǒng)的研究中，一方面其應用范圍日益擴大，另一方面其實現(xiàn)技 術的研究也向著并行化方向發(fā)展。相信隨著計算機技術的發(fā)展，對不規(guī)則對象的建模的 研究會出現(xiàn)新的成果。 三、運動建模 17 第2章面向虛擬現(xiàn)實的二 在虛擬環(huán)境中，僅僅建立靜態(tài)的三維幾何體還是不夠的，物體的特性還涉及到位置 改變、碰撞、捕獲、縮放、表面變形等等。這也是虛擬環(huán)境難以處理的問題之一。此處 僅對虛擬環(huán)境中對象位置變化和碰撞檢測加以

65、介紹，它們也是運動建模要解決的問題。 (1) 對象位置 對象位置包括對象的移動、旋轉和縮放。在VR中，我們不僅對絕對坐標感興趣， 也對三維對象相對坐標感興趣。對每個對象都給予一個坐標系統(tǒng)，稱之為對象坐標系統(tǒng)。 這個坐標系統(tǒng)的位置隨物體的移動而改變。 (2) 碰撞檢測 碰撞檢測是VR技術的一個重要技術，它在運動建模中經(jīng)常使用。例如VR系統(tǒng)中， 人不能穿墻而入，否則便與現(xiàn)實生活相悖。碰撞檢測技術是虛擬環(huán)境中對象與對象之間 碰撞的一種識別技術。碰撞檢測需要計算兩個物體的相對位置。如果要對兩個對象上的 每一個點都做碰撞計算，就要花許多時間。因而，為了節(jié)省系統(tǒng)開銷，許多VR系統(tǒng)在 實時計算中，常

66、采用矩形邊界檢測的方法來節(jié)省時間，但這么做有時會犧牲一定的精確 性。針對此種情況，研究者從省時和精確的角度發(fā)明了許多碰撞檢測算法。 四、行為建模 行為建模就是在創(chuàng)建模型的同時，不僅賦予模型外形、質感等表觀特征，同時也斌 予模型物理屬性和“與生俱來”的行為與反應能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。換言之， 就是要使“死的模型”變成“活的角色”【14]。 幾何建模與物理建模相結合，可以部分實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實“看起來真實、動起來真實” 的特征，而要構造一個能夠逼真地模擬現(xiàn)實世界的虛擬環(huán)境，必須采用行為建模方法。 行為建模處理物體的運動和行為的描述。如果說幾何建模是虛擬現(xiàn)實建模的基礎，行為 建模則真正體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實的特征。一個虛擬環(huán)境中的物體如沒有任何行為和反應，則 這個虛擬環(huán)境是沒有生命力的，對于虛擬現(xiàn)實用戶是沒有任何意義的。 虛擬現(xiàn)實本質上是客觀世界的仿真或折射，虛擬現(xiàn)實的模型則是客觀世界中物體或 對象的代表。而客觀世界中的物體或對象除了具有表觀特征如外形、質感以外，還具有 一定的行為或能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。例如：桌面上的重物移出桌面，重物不 應懸浮在空中，而應當做